JP2006179332A - 燃料電池のフィルタシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で容易にケミカルフィルタの交換時期が分かる燃料電池のフィルタシステムを提供する。
【解決手段】 ダストフィルタ２及びケミカルフィルタ３の下流に、マイクロフィルタ４を設ける。ダストフィルタ２の清浄効率は、ダスト粒径１０［μｍ］において９９％以上であり、ダスト粒径１［μｍ］では１０％以下である。マイクロフィルタ４の清浄効率は、ダスト粒径１［μｍ］において９９％以上である。流量計１７が測定した空気流量Ｑ、差圧計１１が測定したマイクロフィルタ４の圧損Ｐｍは、それぞれコントロールユニット１２へ入力される。コントロールユニット１２は、圧損Ｐｍを基準流量Ｑｓ時の圧損Ｐｓに換算して、しきい値Ｐthと比較し、しきい値を超えていれば、警告灯１３を点灯させて、ケミカルフィルタ３の交換時期を報知する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に供給する空気から有害物質を除去する燃料電池のフィルタシステムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

酸化剤として空気を使用する燃料電池フィルタシステムは、空気中の有害物質を除去するために、塵埃を除去するダストフィルタと有害ガスを除去するケミカルフィルタとを備えたものがある（例えば、特許文献１）。
特表２００４−５２６２７７号公報（第５頁、図２）

しかしながら、上記従来の燃料電池フィルタシステムにあっては、ケミカルフィルタの劣化の程度を検知することが困難であった。このため、実際のケミカルフィルタの劣化の程度とは関係なく、燃料電池システムの運転時間や燃料電池車両の走行距離に基づいて、予防保守的にケミカルフィルタを交換することにならざるを得なく、保守コストが増加するという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料電池に供給する空気中のＮＯｘ、ＳＯｘ等の化学物質を浄化するケミカルフィルタとダストを浄化するダストフィルタとを備えた燃料電池のフィルタシステムにおいて、前記ケミカルフィルタおよび前記ダストフィルタの下流に配置され前記ダストフィルタよりも微細なダストを浄化するマイクロフィルタと、該マイクロフィルタの圧損を測定する圧損測定手段と、該圧損測定手段が測定したマイクロフィルタの圧損が予め設定されたしきい値を超えたときに、前記ケミカルフィルタの交換を促す警告灯を点灯させる制御手段と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、ケミカルフィルタが吸収する化学物質の量にほぼ比例して排出される微細ダストをマイクロフィルタによって捕捉し、このマイクロフィルタによる捕捉量をマイクロフィルタの圧損により検出することができるので、マイクロフィルタの圧損からケミカルフィルタの正確な交換時期を判断し、ケミカルフィルタの交換を使用者に促すことができるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、燃料電池車両用の燃料電池のフィルタシステムに好適な実施例である。

図１は、本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例１を備えた燃料電池システムの要部構成図である。固体高分子型の燃料電池１０に酸化剤として空気を導入する空気導入配管５は、上流から吸気口１、ダストフィルタ２、ケミカルフィルタ３、マイクロフィルタ４が設けられており、圧縮機６の吸気口に接続されている。圧縮機６の吐出口と燃料電池１０は、空気配管１６で接続されている。空気配管１６上には、圧縮機６で圧縮された空気を冷却するアフタクーラ８，温度計１８，圧力計１９、加湿器９が順に配置され、加湿器９で加湿した空気が燃料電池１０のカソード入口へ供給される。また、燃料電池１０のカソード出口には、カソード圧力を調整するための空気圧力調整弁１５が配置されている。

また、コントローラ１２は、燃料電池１０の運転条件に応じて、圧縮機６の駆動モータ１４及び空気圧力調整弁１５を制御している。

さらに、図１の燃料電池システムには、燃料ガスとしての水素を供給する燃料供給系、燃料電池１０の温度を適温に保持する冷却系、及び燃料電池１０から発電電力を取り出す電力系が備えられているが、これらは、本発明と直接関係が無く、従来の燃料電池システムと同様の構成を用いているので、説明を省略する。

マイクロフィルタ４には、入口、出口の差圧を測定する差圧計１１が設けられており、差圧計１１はコントロールユニット１２の入力に接続され、コントロールユニット１２の出力には車室内の警告灯１３が接続されている。

濾紙や不織布を用いたダストフィルタ２の清浄効率は、ダスト粒径１０［μｍ］において９９％以上であり、ダスト粒径１［μｍ］では１０％以下である。ダストフィルタ２より更に目の細かい濾紙や不織布を用いたマイクロフィルタ４の清浄効率は、ダスト粒径１［μｍ］において９９％以上である。

ケミカルフィルタ３は、空気中のＮＯｘ、ＳＯｘ等の有害物質を吸着するフィルタであり、例えば、炭酸カルシウム等の炭酸塩をセラミックハニカム構造体の表面に添着物とともに焼き固めたものや、アニオン（陰イオン）交換樹脂繊維を用いたものが利用可能である。

差圧計１１は、シリコンダイヤフラムの歪みを同じシリコン基板上に形成したピエゾ抵抗素子の抵抗値変化として検出する半導体圧力計を用いることができる。

次に作用を説明する。

一般の路上において、燃料電池を劣化させる有害物質はＮＯｘ、ＳＯｘが主あるが、ケミカルフィルタ３はこれらの有害物質を吸気中から除去し、吸気を浄化するものである。路上におけるこれらの有害物質の多くは、トラック等のディーゼルエンジンにより生成、排出されたものである。また、ディーゼルエンジンの排気には粒子状物質（ＰＭ）も含まれており、殆どのＰＭの粒径は１〜１０［μｍ］であるため、ダストフィルタ２では捕捉できないが、マイクロフィルタ４ではほぼ全て捕捉可能である。従って、ケミカルフィルタ３に流入したＳＯｘ、ＮＯｘの量はマイクロフィルタ４で捕捉されたＰＭの量に略比例して多くなる。

マイクロフィルタ４にて捕捉されたＰＭの量は多いほどマイクロフィルタ４の圧損は高くなる。従って、マイクロフィルタ４の圧損が高いほどケミカルフィルタ３に流入したＳＯｘ、ＮＯｘの量は多くなり、マイクロフィルタ４の圧損を測定すればケミカルフィルタ３の交換時期を予測できる。

マイクロフィルタ４の圧損は、流量により変化するので、コントロールユニット１２は、流量計１７で測定した空気流量Ｑで、マイクロフィルタ４の圧損Ｐｍが予め設定されている基準流量Ｑｓの圧損Ｐｍになるように換算し、この値がしきい値Ｐｔｈに対し大きいかどうかの比較し、大きければケミカルフィルタ３の交換時期と判断し、車室内の警告灯１３を点灯させることで燃料電池車の運転者にフィルタ交換を促す。

尚、本実施例では、コントロールユニット１２は、ＣＰＵと、プログラムメモリと、作業用メモリと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成しているが、同等の制御論理をワイヤードロジックで構成することも可能である。

図２は、実施例１のコントロールユニット１２における制御内容を説明する制御フローチャートである。この制御フローチャートは、一定時間毎（例えば、１時間）、或いは燃料電池システムの起動毎に、メインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、流量計１７から空気流量Ｑを読み込む。次いで、Ｓ１２で差圧計１１からマイクロフィルタ４の圧損Ｐｍを読み込む。次いで、Ｓ１４で、圧損Ｐｍを基準流量Ｑｓ時の圧損Ｐｓに換算する。そして、Ｓ１６で、圧損Ｐｓがしきい値Ｐthを超えたか否かを判定し、超えていれば、Ｓ１８で警告灯１３を点灯して、使用者にケミカルフィルタ３の交換を促す。Ｓ１６の判定で、圧損Ｐｓがしきい値Ｐthを超えていなければ、何もせずに処理を終了する。

ここで、圧損Ｐｓを判定するためのしきい値Ｐthは、実機の路上試験等により、ケミカルフィルタ３の劣化の程度と、マイクロフィルタ４の基準流量Ｑｓ時の圧損Ｐｓとの関係を求め、予めコントロールユニット１２に記憶されておくものとする。

以上説明した本実施例によれば、マイクロフィルタの圧損を測定する圧損計測手段を追加することにより、簡易で安価に、ほぼ正確なケミカルフィルタの交換時期を判定して、使用者に交換を促すことができるという効果がある。

次に、図３、４を参照して、本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例２を説明する。図３は、本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例２を備えた燃料電池システムの要部構成図である。

図３の本実施例と、図１に示した実施例１との相違は、本実施例が、空気の上流側から圧縮機６、アフタクーラ８、マイクロフィルタ４の順で配置されていることである。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であり、同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。

図４は、実施例２のコントロールユニット１２における制御内容を説明する制御フローチャートである。実施例１の制御フロートの相違は、温度計１８，圧力計１９でマイクロフィルタ４通過後の空気の温度、圧力をそれぞれ検出した値を用いて、差圧計１１による圧損Ｐｍを基準流量、基準温度、基準圧力時の差圧Ｐｓに変換して、しきい値Ｐthと比較している点にある。このため、実施例１より正確なケミカルフィルタ交換時期の判定ができるという効果がある。

図４の制御フローチャートは、一定時間毎（例えば、１時間）、或いは燃料電池システムの起動毎に、メインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

まず、Ｓ２０において、流量計１７から空気流量Ｑを読み込む。次いで、Ｓ２２で差圧計１１からマイクロフィルタ４の圧損Ｐｍを読み込む。次いで、Ｓ２４で、圧力計１９から圧力Ｐｆを読み込み、Ｓ２６で温度計１８から温度Ｔｆを読み込む。

次いで、Ｓ２８で、圧損Ｐｍを基準流量、基準圧力、基準温度時の圧損Ｐｓに換算する。そして、Ｓ３０で、圧損Ｐｓがしきい値Ｐthを超えたか否かを判定し、超えていれば、Ｓ３２で警告灯１３を点灯して、使用者にケミカルフィルタ３の交換を促す。Ｓ３０の判定で、圧損Ｐｓがしきい値Ｐthを超えていなければ、何もせずに処理を終了する。

本実施例は、比較的圧損の大きいマイクロフィルタ４を圧力の高い圧縮機６の下流に配置することで、空気の流速が圧縮機６上流よりも低くなり圧損が低減できる。このため、本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、圧縮機６の上流よりも圧縮機６の下流の方が圧縮機６の圧力比への影響が小さく、圧力比を低く保てるので圧縮機６の駆動モータ１４の消費電力を低減できるという効果がある。

さらにマイクロフィルタ４はアフタクーラ８の下流に設ける方が、空気の温度が低くなり、空気の体積が小さく、流速が遅くなることで圧損が下げることができ、圧縮機６の駆動モータ１４の消費電力をより低くできるという効果がある。

次に、図５を参照して、本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例３を説明する。図５は、本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例３を備えた燃料電池システムの要部構成図である。

図５の本実施例と、図１に示した実施例１との相違は、本実施例が、ケミカルフィルタとダストフィルタを同一のフィルタ筐体２０に納められていることである。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であり、同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。

本実施例３では、ケミカルフィルタとダストフィルタを同一のフィルタ筐体２０に納めることにより小型化できるとともに、ケミカルフィルタとダストフィルタ交換を１回で済ますことができるという効果がある。

次に、図６を参照して、本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例４を説明する。図６は、本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例４を備えた燃料電池システムの要部構成図である。

図６の本実施例と、図３に示した実施例２との相違は、本実施例に、ケミカルフィルタ３を交換したことをコントロールユニット１２が認識するためのフィルタ交換認識手段２１を追加したことである。その他の構成要素は、図３に示した実施例２と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。

フィルタ交換認識手段２１は、例えば、ケミカルフィルタ３に内蔵された小型のヒューズである。このヒューズは、コントロールユニット１２から送られる電流で溶断可能であり、またコントロールユニット１２は、このヒューズが接続状態が切断状態かを認識することができるようになっている。新品ケミカルフィルタ３のヒューズは、接続状態であり、コントロールユニット１２は、ヒューズの接続状態を見てケミカルフィルタ３が交換されたことを認識する。

本実施例４では、コントロールユニット１２は、フィルタ交換認識手段２１により、ケミカルフィルタ交換後の最初の燃料電池の起動時（例えば、最初のキースイッチをオンにしたとき）に、マイクロフィルタ４の圧損を差圧計１１で測定し、この圧損値に、次回のケミカルフィルタ交換までのマイクロフィルタにＰＭ捕集量による圧損増加を加えて、次回のケミカルフィルタ３交換時期のマイクロフィルタ４圧損判定しきい値として再設定する。以後、マイクロフィルタ４の圧損がこのしきい値を超えたら警告灯１３を点灯させることで、通常レイアウト的に交換し難い場所にあることが多いマイクロフィルタ４の交換頻度をケミカルフィルタ３の交換頻度より少なくできるという効果がある。

次に、図７の制御フローチャートを参照して、本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例５を説明する。本実施例の特徴は、マイクロフィルタの圧損に段階的にしきい値を複数設け、圧損が各しきい値を超える度に圧縮機の空気流量の最大値を低く設定するように制御することである。尚、実施例５のフィルタシステムを備えた燃料電池システムの要部構成図は、図１の実施例１と同様である。

本実施例においては、マイクロフィルタ４の圧損に応じて、燃料電池１０へ供給する空気の最大流量を制限する。ケミカルフィルタ３の清浄効率は、浄化した有害物質の量および流速に依存するため、浄化した有害物質が多くなるに従い空気の最大流量を低下させ、流速が過度に高くなることを抑制し、ケミカルフィルタの劣化の程度に拘わらず常にケミカルフィルタ３による清浄効率を高く保つことができるという効果がある。

図７の制御フローチャートは、一定時間毎（例えば、１時間）、或いは燃料電池システムの起動毎に、メインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

図７において、まず、Ｓ４０で、流量計１７から空気流量Ｑを読み込む。次いで、Ｓ４２で差圧計１１からマイクロフィルタ４の圧損Ｐｍを読み込む。次いで、Ｓ４４で、圧損Ｐｍを基準流量Ｑｓ時の圧損Ｐｓに換算する。そして、Ｓ４６で、圧損Ｐｓがしきい値Ｐth1 を超えたか否かを判定し、超えていなければ、なにもせずに処理を終了する。Ｓ４６の判定で、圧損Ｐｓがしきい値Ｐth1 を超えれていれば、Ｓ４８で圧損Ｐｓがしきい値Ｐth2 （Ｐth1 ＜Ｐth2 ）を超えたか否かを判定し、超えていなければ、Ｓ５０へ進み、流量計１７で検出される最大流量Ｑmax をＱ１未満に制限するように圧縮機６の駆動モータ１４を制御し、処理を終了する。

Ｓ４８の判定で、圧損Ｐｓがしきい値Ｐth2 を超えていなければ、Ｓ５２へ進み、圧損Ｐｓがしきい値Ｐth3 （Ｐth2 ＜Ｐth3 ）を超えたか否かを判定し、超えていなければ、Ｓ５４へ進み、流量計１７で検出される最大流量Ｑmax をＱ２（Ｑ２＜Ｑ１）未満に制限するように圧縮機６の駆動モータ１４を制御し、処理を終了する。

Ｓ５２の判定で、圧損Ｐｓがしきい値Ｐth3 を超えていれば、Ｓ５６へ進み、流量計１７で検出される最大流量Ｑmax をＱ３（Ｑ３＜Ｑ２）未満に制限するように圧縮機６の駆動モータ１４を制御し、Ｓ５８で警告灯１３を点灯して、使用者にケミカルフィルタ３の交換を促して、処理を終了する。

本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例１を備えた燃料電池システムの要部構成図である。 実施例１のコントロールユニットによる制御内容を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例２を備えた燃料電池システムの要部構成図である。 実施例２のコントロールユニットによる制御内容を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例３を備えた燃料電池システムの要部構成図である。 本発明に係る燃料電池のフィルタシステムの実施例４を備えた燃料電池システムの要部構成図である。 実施例５のコントロールユニットによる制御内容を説明するフローチャートである。

符号の説明

１：吸気口
２：ダストフィルタ
３：ケミカルフィルタ
４：マイクロフィルタ
５：空気導入配管
６：圧縮機
８：アフタクーラ
９：加湿器
１０：燃料電池
１１：差圧計
１２：コントロールユニット
１３：警告灯
１４：駆動モータ
１５：空気圧力調整弁
１６：空気配管
１７：流量計
１８：温度計
１９：圧力計
２０：フィルタ筐体
２１：フィルタ交換認識手段

Claims (7)

1. 燃料電池に供給する空気中のＮＯｘ、ＳＯｘ等の化学物質を浄化するケミカルフィルタとダストを浄化するダストフィルタとを備えた燃料電池のフィルタシステムにおいて、
   前記ケミカルフィルタおよび前記ダストフィルタの下流に配置され前記ダストフィルタよりも微細なダストを浄化するマイクロフィルタと、
   該マイクロフィルタの圧損を測定する圧損測定手段と、
   該圧損測定手段が測定したマイクロフィルタの圧損が予め設定されたしきい値を超えたときに、前記ケミカルフィルタの交換を促す警告灯を点灯させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池のフィルタシステム。
2. 前記ダストフィルタのダスト清浄効率を粒径１０［μｍ］で９９％以上、粒径１［μｍ］で１０％以下とし、前記マイクロフィルタのダスト清浄効率を粒径１［μｍ］で９９％以上としたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のフィルタシステム。
3. 前記マイクロフィルタを前記空気を圧縮する圧縮機の上流に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池のフィルタシステム。
4. 前記マイクロフィルタを前記空気を圧縮する圧縮機の下流に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池のフィルタシステム。
5. 前記ダストフィルタと前記ケミカルフィルタのエレメントを１つの筐体に納めたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池のフィルタシステム。
6. 前記ケミカルフィルタが交換されたことを認識するフィルタ交換認識手段を設け、
   前記制御手段は、ケミカルフィルタ交換後の最初の燃料電池システムの稼働時に、前記圧損測定手段が測定した前記マイクロフィルタ圧損に基づいて、次回のケミカルフィルタ交換を判定する新たなしきい値を設定することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池のフィルタシステム。
7. マイクロフィルタの圧損に段階的にしきい値を複数設け、圧損が各しきい値を超える度に空気流量の最大値を低く設定することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池のフィルタシステム。

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